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광범위한 변형률속도를 고려한 복합화약의 변형률속도 의존 경화모델 = Rate-dependent hardening model for polymer-bonded explosives considering a wide range of strain rates
서명 / 저자 광범위한 변형률속도를 고려한 복합화약의 변형률속도 의존 경화모델 = Rate-dependent hardening model for polymer-bonded explosives considering a wide range of strain rates / 박충희.
저자명 박충희 ; Park, Chung-Hee
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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This study is concerned with the effect of the strain rate on the strain hardening behavior of polymer-bonded explosives (PBXs) at a wide range of strain rates. When PBXs are applied in a warhead system that undergoes severe dynamic loading conditions, it is very important to investigate the deformation behavior of PBXs subjected to dynamic loads in order to guarantee the safety of the warhead system before explosion. PBXs in the warhead system undergo not only localized large deformation with high strain rates induced by direct dynamic loads but also small deformation with low and intermediate strain rates due to stress wave propagation. The strain hardening behavior of PBXs at quasi-static states, intermediate and high strain rates should be thoroughly investigated to perform the design of the warhead system because PBXs undergo deformation at a wide range of strain rates irregularly distributed in PBXs from quasi-static states to high strain rates. It is noticed that the strain hardening behavior of PBXs varies significantly as a function of the strain rate. It is, hence, essential to incorporate the effect of the strain rate on the strain hardening behavior of PBXs in the numerical simulation of the warhead to predict the deformation behavior of PBXs accurately. In previous research works, it was demonstrated that the flow stresses generally increase as the strain rate increases in various PBXs. The effect of the strain rate can be explained by the intrinsic characteristics of the polymer matrix. It is noticed that the elastic modulus and flow stress of polymers increase significantly as the strain rate increases. The effect of the strain rate on the strain hardening behavior of PBXs is highly influenced by the mechanism of failure in accordance with the strain rate as well as the intrinsic characteristics of the polymer matrix. It was reported that the debonding stresses between the particles and the polymer matrix increase as the elastic modulus of the polymer matrix increases. The debonding stresses between the particles and the polymer matrix increase as the strain rate increases since the elastic modulus of the polymer matrix increases with increasing strain rates. It corresponds to the previous research work reporting that the crystal fracture of particles became the dominant failure mechanism in uniaxial compressive tests at high strain rates while the debonding, which can also be expressed as the interfacial failure, was the dominant failure mechanism in uniaxial compressive tests at low strain rates. In this study, uniaxial compressive tests of two kinds of PBX simulants classified into particulate composites were conducted at a wide range of strain rates ranging from $10^{-4}$ $\textrm{s}^{-1}$ to 3,870 $\textrm{s}^{-1}$ to investigate the effect of the strain rate on the strain hardening behavior of PBXs. The dynamic material testing machine (Instron 8801) was utilized for uniaxial compressive tests from quasi-static states to low strain rates ranging from $10^{-4}$ $\textrm{s}^{-1}$ to $10^{0}$ $\textrm{s}^{-1}$ and the developed high speed material testing machine (HSMTM) was used for uniaxial compressive tests at intermediate strain rates ranging from $10^{1}$ $\textrm{s}^{-1}$ to $10^{2}$ $\textrm{s}^{-1}$. A new jig system was designed and utilized for uniaxial compressive tests at intermediate strain rates using the HSMTM so that uniaxial compressive tests can be conducted within the designated strain. The split Hopkinson pressure bar (SHPB) was used for uniaxial compressive tests at high strain rates ranging from 1,250 $\textrm{s}^{-1}$ to 3,870 $\textrm{s}^{-1}$. For SHPB tests, preceding researches such as determination of the bar material of the SHPB system, pulse shaping techniques and consideration of the variation of the true strain rate were conducted to acquire accurate stress--strain relationships of soft materials including PBXs at high strain rates. The significant effect of the strain rate on the strain hardening behavior during uniaxial compressive deformation is quantitatively investigated from the experimental data at various strain rates. A new rate-dependent hardening model based on the DSGZ model was proposed from the investigated result to model the effect of the strain rate on the strain hardening behavior of PBXs. The model gives a concise expression of the stress dependence on the strain and strain rate with a second-order exponentially-increasing strain rate sensitivity function. The model is capable of representing the non-linear viscoelasticity, yielding and subsequent strain softening behavior. It can also describe the steady-state behavior at large strain. The proposed model was implemented in the commercial finite element analysis (FEA) software, LS-DYNA, with the user defined material models (UMAT). Finite element analyses of uniaxial compressive tests at various strain rates were conducted with the implemented UMAT to validate the proposed model. The comparisons of FEA results with the experimental data show that the proposed model was successfully able to describe the significant effect of the strain rate on the strain hardening behavior of PBXs.

특수 목적으로 제작된 입자강화 복합재료의 한 종류인 복합화약이 충전되어 있는 탄두가 표적에 침투 또는 관통하는 경우에는 폭발시점 이전에 다양한 형태의 동적하중이 탄두 내의 복합화약에 작용한다. 이러한 동적하중에 의하여 탄두 내의 복합화약에는 준정적 상태부터 중간영역인 중 변형률속도를 포함하여 고 변형률속도까지 이르는 광범위한 변형률속도를 가지는 변형이 불규칙하게 분포하게 된다. 복합화약을 포함한 고분자-기반 입자강화 복합재료는 고분자 결합제의 재료 특성 때문에 복잡한 형태의 변형률속도 민감도를 보이며 변형률속도에 따라 변형률경화 거동이 크게 변화하는데 탄두의 침투 또는 관통에 대한 수치해석 수행 시 탄두 내 복합화약의 응력분포와 변형거동을 정확하게 예측하기 위해서는 변형률속도에 따라 급격하게 변화하는 복합화약의 변형률경화 거동을 고려하여 수치해석을 수행하여야 한다. 일반적으로 고분자-기반 복합화약은 변형률속도가 증가함에 따라 유동응력이 증가하는 것으로 알려져 있다. 이러한 현상은 변형률속도가 증가함에 따라 탄성계수 및 유동응력이 증가하는 고분자 기지 고유의 재료 특성으로 설명할 수 있다. 또한 복합화약의 변형률경화 거동은 변형률속도의 변화에 따른 복합화약 내 파손기구의 변화에도 큰 영향을 받는다. 복합화약 내에서 입자들과 고분자 기지 간 분리응력은 고분자 결합제의 탄성계수가 증가함에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌다. 변형률속도가 증가함에 따라 고분자 기지의 탄성계수가 증가하기 때문에 변형률속도가 증가하면 입자--기지 간 분리응력도 증가한다는 것을 알 수 있다. 이는 저속 압축시험에서는 입자--기지 간 분리가 주요 파손기구이지만 고속 압축시험으로 갈수록 입자의 결정파괴 비율이 증가한다는 선행 연구결과를 통해서도 확인할 수 있다. 본 연구에서는 변형률속도에 따라 급격하게 변화하는 고분자-기반 복합화약의 변형률경화 거동을 정량화하기 위하여 2종의 복합화약 시뮬런트에 대하여 준정적 상태부터 고 변형률속도에 이르기까지 광범위한 변형률속도 조건에서 재료시험을 수행하였다. $10^{-4}$ $\textrm{s}^{-1}$부터 $10^{0}\ \textrm{s}^{-1}$까지의 변형률속도를 저 변형률속도 영역, $10^{1}\ \textrm{s}^{-1}$부터 $10^{2}\ \textrm{s}^{-1}$까지의 변형률속도를 중 변형률속도 영역, 그리고 $10^{3}\ \textrm{s}^{-1}$ 이상의 변형률속도를 고 변형률속도 영역으로 구분하고, 저 변형률속도 영역에서는 동적재료시험기인 Instron 8801을 이용한 저속 압축시험을, 중 변형률속도 영역에서는 고속재료시험기를 이용한 중고속 압축시험을, 그리고 고 변형률속도 영역에서는 홉킨슨 바 시험을 수행하여 변형률속도에 따른 변형률경화 거동을 획득하였다. 고속재료시험기를 이용하여 중고속 압축시험을 수행하기 위해서 인장하중을 압축하중으로 변환하고 시편에 지정된 변형률만을 부과하는 중고속 압축시험용 지그시스템을 설계$\,\cdot\,$제작하여 중고속 압축시험을 수행하였다. 또한 복합화약과 같은 연질재료에 대하여 고 변형률속도에서의 정확한 응력--변형률 관계를 획득하기 위해서 홉킨슨 바 시험기의 봉재 선정, 펄스 쉐이핑 기법, 홉킨슨 바 시험 중 시편 내 변형률속도의 변화를 고려하기 위한 기법 등의 홉킨슨 바 시험기법에 관한 선행 연구를 수행하였다. 새로이 정립된 홉킨슨 바 시험기법을 이용하여 복합화약 시뮬런트에 대한 홉킨슨 바 시험을 수행하고 고 변형률속도에서의 응력--변형률 관계를 획득하였다. 재료시험을 통하여 획득한 변형률속도에 따른 복합화약 시뮬런트의 변형률경화 거동을 모델링하기 위하여 현상학적 모델인 DSGZ 모델에 기초한 새로운 변형률속도 의존 경화모델을 제안하였다. 새로 제안된 변형률속도 의존 경화모델은 복잡한 형태를 보이는 복합화약의 변형률속도 민감도를 2차 지수증가함수의 형태로 표현하여 변형률 및 변형률속도에 따른 응력의 변화를 하나의 식으로 계산할 수 있도록 하였다. 제안된 모델은 비선형 점탄성, 변형률속도에 따라 이동하는 항복과 그 이후의 변형률연화 거동을 표현할 수 있으며 대변형에서의 정상 상태 거동까지도 모사할 수 있다. 제안된 변형률속도 의존 경화모델을 유한요소해석에 구현하기 위하여 상용 유한요소해석 소프트웨어인 LS-DYNA에서 제공하는 사용자정의 재료모델을 이용하였다. 구현된 사용자정의 재료모델을 이용하여 다양한 변형률속도 조건에서의 압축시험에 대한 유한요소해석을 수행하고 재료시험결과와 비교함으로써 제안된 변형률속도 의존 경화모델과 구현된 사용자정의 재료모델의 유효성을 검증하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 13039
형태사항 viii, 126 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Chung-Hee Park
지도교수의 한글표기 : 허훈
지도교수의 영문표기 : Hoon Huh
수록잡지명 : "Determination of True Stress-True Strain Curves of Polymers at Various Strain Rates Using Force Equilibrium Grid Method". Journal of Composite Materials, v.46 no.17, pp. 2065-2077(2012)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 53-61
주제 복합화약
복합화약 시뮬런트
홉킨슨 바 시험
변형률속도 의존 경화모델
변형률속도 민감도
Polymer-Bonded Explosive (PBX)
PBX Simulant
Split Hopkinson Pressure Bar Test
Rate-Dependent Hardening Model
Strain Rate Sensitivity
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